EP1182432B1 - Flow sensor with housing - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen Flusssensor gemäss Oberbegriff von Anspruch 1.The invention relates to a flow sensor according to the preamble of
Ein bekannter Flusssensor dieser Art besitzt ein zweiteiliges Gehäuse, welches einen Messkanal bildet. Ein Halbleiterchip mit einer Sensoranordnung ist an der Wand des Messkanals angeordnet. Zur Abdichtung wird der Halbleiterchip zwischen den Gehäuseteilen eingeklemmt.A known flow sensor of this type has a two-part housing, which forms a measuring channel. A semiconductor chip with a sensor arrangement is arranged on the wall of the measuring channel. For sealing, the semiconductor chip is clamped between the housing parts.
Diese bekannte Lösung besitzt allerdings den Nachteil, dass sie nicht geeignet ist für Anwendungen, bei denen ein hoher statischer oder dynamischer Druck im Messkanal herrscht.However, this known solution has the disadvantage that it is not suitable for applications in which there is a high static or dynamic pressure in the measuring channel.
Die
In der
Die
Es stellt sich deshalb die Aufgabe, einen Flusssensor mit Gehäuse bereitzustellen, welcher nötigenfalls auch grossem Druck im Messkanal standhält und der einfach aufgebaut ist.It is therefore the object to provide a flow sensor with housing, which, if necessary, withstand high pressure in the measuring channel and is simple.
Diese Aufgabe wird vom Flusssensor gemäss Anspruch 1 gelöst.This object is achieved by the flow sensor according to
Erfindungsgemäss ist also zwischen den beiden Gehäuseteilen ein den Messkanal und den Halbleiterchip umgebender Dichtungsring vorgesehen, der gegen einen Gegenhalter drückt, wobei der Gegenhalter von einem der Gehäuseteile gebildet wird. Zur Verbindung des Halbleiterchips mit der Aussenwelt wird mindestens eine Leiterbahn zwischen dem Dichtungsring und dem Gegenhalter nach aussen geführt. Bei einer derartigen Anordnung braucht der Halbleiterchip keine Dichtungsfunktion zu übernehmen und die Montage ist einfach.According to the invention, therefore, a sealing ring surrounding the measuring channel and the semiconductor chip is provided between the two housing parts, which presses against a counter-holder, wherein the counter-holder is formed by one of the housing parts. For connecting the semiconductor chip to the outside world, at least one conductor track between the sealing ring and the anvil is guided to the outside. With such an arrangement, the semiconductor chip does not need to perform a sealing function and the assembly is simple.
Vorzugsweise ist die mindestens eine Leiterbahn auf einer flexiblen Leiterbahnfolie angeordnet. Es ist jedoch auch möglich, die Leiterbahn direkt auf einem der Gehäuseteile zu befestigen.Preferably, the at least one conductor track is arranged on a flexible conductor foil. However, it is also possible to attach the conductor directly on one of the housing parts.
Der Messkanal ist als Nut in der Oberfläche eines ersten Gehäuseteils ausgestaltet. Zur Verbindung der Nut mit der Aussenwelt sind Anschlussleitungen, z.B. in Form von Bohrungen bzw. Löchern, vorgesehen, die sich durch einen oder mehrere der Gehäuseteile erstrecken. Der Dichtungsring ist an der besagten Oberfläche um die Nut herum angeordnet. Durch diese Anordnung kann der Messkanal allseitig abgedichtet werden.The measuring channel is designed as a groove in the surface of a first housing part. To connect the groove with the outside world are connecting lines, eg in the form of holes or holes, provided, which extend through one or more of the housing parts. The sealing ring is disposed on said surface around the groove. By this arrangement, the measuring channel can be sealed on all sides.
Vorzugsweise liegt der Halbleiterchip in einer Vertiefung des zweiten Gehäuseteils und seine Oberseite (d.h. die Seite, auf der sich die Sensoranordnung befindet) liegt bündig mit der Wand des Messkanals, so dass möglichst laminare Strömungsverhältnisse vorliegen. Zur genauen Positionierung der Oberseite des Halbleiterchips berührt diese den ersten Gehäuseteil. Vorzugsweise wird dabei im Boden der Vertiefung ein Abstandhalter vorgesehen, der durch die Andruckkraft der Gehäuseteile elastisch oder plastisch deformiert wird und den Halbleiterchip gegen den ersten Gehäuseteil drückt, so dass sich beim Zusammensetzen der Gehäuseteile eine genaue und dauerhafte Positionierung des Halbleiterchips relativ zum Messkanal ergibt. Der Abstandhalter kann z.B. von Erhebungen im Boden der Vertiefung gebildet werden.Preferably, the semiconductor chip is located in a recess of the second housing part and its upper side (i.e., the side on which the sensor array is located) is flush with the wall of the measurement channel, so that laminar flow conditions are possible. For the exact positioning of the upper side of the semiconductor chip, this contacts the first housing part. Preferably, a spacer is provided in the bottom of the recess, which is elastically or plastically deformed by the pressing force of the housing parts and presses the semiconductor chip against the first housing part, so that when assembling the housing parts results in an accurate and permanent positioning of the semiconductor chip relative to the measuring channel. The spacer may e.g. be formed by elevations in the bottom of the depression.
Der erfindungsgemässe Flusssensor ist zur Messung des Flusses von Flüssigkeiten oder Gasen bei normalen oder erhöhten Druckverhältnissen geeignet.The flow sensor according to the invention is suitable for measuring the flow of liquids or gases under normal or elevated pressure conditions.
Weitere bevorzugte Ausführungen und Vorteile ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie der nun folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführung anhand der Figuren. Dabei zeigen:
-
Fig. 1 eine Explosionsdarstellung einer ersten Ausführung des Flusssensors, -
Fig. 2 den ersten Gehäuseteil vom zweiten Gehäuseteil her gesehen, -
Fig. 3 den zweiten Gehäuseteil vom ersten Gehäuseteil her gesehen, -
Fig. 4 einen Schnitt durch den Flusssensor im Bereich des Halbleiterchips quer zum Messkanal, -
Fig. 5 einen Teilschnitt einer möglichen Ausführung des Halbleiterchips, -
Fig. 6 einen Schnitt durch eine zweite Ausführung des Flusssensors -
Fig. 7 einen Schnitt durch eine dritte Ausführung des Flusssensors, und -
Fig. 8 einen Schnitt durch eine vierte Ausführung des Flusssensors.
-
Fig. 1 an exploded view of a first embodiment of the flow sensor, -
Fig. 2 seen the first housing part from the second housing part, -
Fig. 3 seen the second housing part from the first housing part, -
Fig. 4 a section through the flow sensor in the region of the semiconductor chip across the measuring channel, -
Fig. 5 a partial section of a possible embodiment of the semiconductor chip, -
Fig. 6 a section through a second embodiment of the flow sensor -
Fig. 7 a section through a third embodiment of the flow sensor, and -
Fig. 8 a section through a fourth embodiment of the flow sensor.
Der in den Figuren dargestellte Flusssensor besitzt einen ersten Gehäuseteil 1, einen zweiten Gehäuseteil 2 und einen im wesentlichen zwischen den Gehäuseteilen 1, 2 eingeklemmten Halbleiterchip 3. In
In einer Oberfläche 4 des ersten Gehäuseteils 1 ist eine gerade Nut 5 angeordnet, die, zusammen mit dem angrenzenden zweiten Gehäuseteil 2, einen Messkanal bildet. Durch den zweiten Gehäuseteil 2 erstrecken sich zwei Anschlussleitungen 6, ausgestaltet als Bohrungen bzw. Löcher, die die Enden 5a, 5b des Messkanals mit der Aussenwelt verbinden. Auf der Aussenseite des zweiten Gehäuseteils 2 sind die Mündungen der Anschlussleitungen 6 von Dichtungen 7 umgeben, so dass sie z.B. mit einem zu messenden Rohr verbunden werden können.In a
Ein möglicher Aufbau des Halbleiterchips 3 ist in
Die Sensoranordnung ist auf einer Membran 15 angeordnet, die über einer Öffnung 16 liegt, welche sich durch das Substrat 10 erstreckt.The sensor arrangement is arranged on a
Wie insbesondere aus
Zwischen der Vertiefung 22 und der Nut 5 befindet sich ein Steg 23, der auf dem Halbleiterchip 3 aufliegt. Am Boden der Vertiefung 20 sind als Abstandhalter vier pyramidenförmige Erhebungen 21 angeordnet. Der Halbleiterchip 3 wird vom zweiten Gehäuseteil gegen die Erhebungen 21 gedrückt, so dass letztere leicht verformt werden. Dadurch wird gewährleistet, dass der Halbleiterchip 3 bündig mit der Wand des Messkanals liegt.Between the
Die Erhebungen 21 sind vorzugsweise einstückig mit dem zweiten Gehäuseteil verbunden. Sie müssen nicht pyramidenförmig sein, im undeformierten Zustand sollten sie jedoch vorzugsweise spitz zulaufen, so dass deren Spitzen mit geringem Kraftaufwand deformiert werden können. Sie können plastisch oder elastisch deformierbar sein.The
Die Vertiefung 20 besitzt zwei Querseiten 26a, 26b (
Die Vertiefung 20 ist so bemessen, dass zwischen den Längsseiten 27a, 27b und dem Halbleiterchip 3 etwas Platz verbleibt, so dass der Bereich zwischen Halbleiterchip 3 und dem Boden der Vertiefung in Verbindung steht mit dem Messkanal. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass beide Seiten der Membran 15 (
Wie aus
Die Leiterbahnfolie 9 vom Halbleiterchip 3 wird zwischen dem Dichtungsring 31 und der Innenseite des zweiten Gehäuseteils 2 durchgeführt und vom Dichtungsring 31 beaufschlagt. Zur besseren Abdichtung kann im Bereich der Kreuzung zwischen Leiterbahnfolie 9 und Dichtungsring 31 eine Dichtungsmasse 32, z.B. Silikon, vorgesehen sein.The
Wie aus
Die Gehäuseteile 1, 2 werden vorzugsweise spritzgusstechnisch vorgefertigt. Sodann werden der Dichtungsring 31 in die Vertiefung 30 und der Halbleiterchip 3 in die Vertiefung 20 eingelegt. Nun kann die Dichtungsmasse 32 im Bereich der Leiterbahnfolie 9 aufgebracht werden. Sodann werden die beiden Gehäuseteile 1, 2 aufeinander gelegt und durch Schrauben in Schraublöchern 34 miteinander verbunden.The
Die Gehäuseteile 1, 2 können aus Kunststoff und/oder Metall sein. Insbesondere bei hohen Drücken ist es denkbar, die Gehäuse aus einem Gefüge aus Kunststoff und Metall zu fertigen, wobei das Metall dem Gehäuse die nötige Festigkeit verleiht und der Kunststoff im Bereich der Innenseiten vorgesehen ist, wo gute Dichtungs- und Deformationseigenschaften benötigt werden. Insbesondere kann auch der Dichtungsring als Dichtungsrippe aus Dichtmaterial spritzgusstechnisch direkt in den Gehäuseteilen ausgeformt werden.The
In der vorliegenden Ausführung sind die Anschlussleitungen 6 im zweiten Gehäuseteil 2 angeordnet. Es ist jedoch auch denkbar, eine oder beide davon im ersten Gehäuseteil 1 vorzusehen. Andererseits könnte der Dichtungsring 31 auch im zweiten Gehäuseteil 2 montiert werden, oder es könnten in beiden Gehäuseteilen 1, 2 Dichtungsringe vorgesehen sein.In the present embodiment, the
Eine zweite Ausführung des Sensors ist in
Bei der zweiten Ausführung sind anstelle der Leiterbahnfolie 9 Leiterbahnen 9' vorgesehen, welche am zweiten Gehäuseteil 2 befestigt sind. Unter Leiterbahnen sind dabei von einer Beschichtung gebildete, elektrische Leitungen zu verstehen, die wesentlich breiter als dick sind, so dass sie keine allzu grosse Deformation des Dichtungsrings bewirken.In the second embodiment, 9 printed conductors 9 'are provided instead of the conductor foil, which are fastened to the
Damit die Leiterbahnen 9' nicht kurzgeschlossen werden, besteht der zweite Gehäuseteil 2 aus einem Isolator oder ist auf seiner Unterseite mit einer elektrisch isolierenden Schicht bedeckt. Die Leiterbahnen 9' sind Metallbahnen, die z.B. durch Galvanisierung auf dem zweiten Gehäuseteil 2 angebracht wurden. Zur Verbindung zwischen dem Halbleiterchip 3 und den Leiterbahnen 9' sind z.B. Bonddrähte 35 oder andere Verbindungsleitungen vorgesehen. An der Aussenseite des Gehäuses bilden die Leiterbahnen Anschlussstellen 36, welche z.B. mit Zuführungsdrähten oder Steckkontakten versehen werden können.So that the conductor tracks 9 'are not short-circuited, the
Eine dritte Ausführung des Sensors ist in
Auch bei dieser Ausführung sind anstelle der Leiterbahnfolie 9 Leiterbahnen 9' vorgesehen, welche auf einer Trägerplatte 2a angeordnet sind. Die Trägerplatte 2a ist rückseitig durch eine Verstärkungsplatte 2b verstärkt und bildet mit dieser den zweiten Gehäuseteil. Die Trägerplatte 2a ist als Printplatte ausgeführt, in welcher auch die Vertiefung 20 zur Aufnahme des Halbleiterchips angeordnet ist. Vorzugsweise ist der Halbleiterchip in dieser Vertiefung 20 mit einem Klebstoff 38 fixiert, und zwar solcherart, dass ein Druckausgleich zwischen Vorder- und Rückseite der Membran 15 immer noch stattfinden kann. Wiederum sind zur Verbindung zwischen dem Halbleiterchip 3 und den Leiterbahnen 9' z.B. Bonddrähte 35 oder andere Verbindungsleitungen vorgesehen, und die Leiterbahnen bilden auf der Gehäuseaussenseite Anschlussstellen 36, welche z.B. mit Zuführungsdrähten oder Steckkontakten versehen werden können.Also in this embodiment, 9 printed conductors 9 'are provided instead of the conductor foil, which are arranged on a
Vorzugsweise sind die Leiterbahnen 9' der zweiten und dritten Ausführung ähnlich dünn wie die Leiterbahnfolie 9 der ersten Ausführung, d.h. ihre Dicke beträgt vorzugsweise weniger als 100 µm.Preferably, the tracks 9 'of the second and third embodiments are similarly thin as the
Der Dichtungsring 31 wird gegen die Verstärkungsplatte 2b gedrückt, welche im vorliegenden Fall den Gegenhalter bildet. Die Trägerplatte 2a wird zwischen dem Dichtungsring 31 und der Verstärkungsplatte 2b nach aussen geführt.The sealing
Eine vierte Ausführung des Sensors ist in
In der vierten Ausführung ist die Trägerplatte 2a beidseitig mit Leiterbahnen 9' bzw. 9" versehen. Der Halbleiterchip 3 ist, z.B. mittels Bonddrähten 35, mit Leiterbahnen 9' auf der Unterseite der Trägerplatte 2a verbunden. Die Leiterbahnen 9' enden bei Durchführungen 39, wo sie mit Leiterbahnen 9" auf der Oberseite der Trägerplatte 2a verbunden sind. Die Leiterbahnen 9" werden der Verstärkungsplatte 2b entlang nach aussen geführt, wo sie wiederum Anschlussstellen 36 bilden.In the fourth embodiment, the
Die Durchführungen 39 sind mit einer Dichtungsmasse 40 gefüllt, so dass ein Druckausgleich zwischen dem Messkanal und der Oberseite der Trägerplatte 2a verhindert wird.The
Bei geeigneter Dimensionierung vermag der hier beschriebene Sensor ohne Weiteres einem Druck von mehr als 25 bar standzuhalten. Er eignet sich für Flussmessungen jeglicher Arten bei Gasen und Flüssigkeiten.With suitable dimensioning, the sensor described here can readily withstand a pressure of more than 25 bar. It is suitable for flow measurements of all types of gases and liquids.
Claims (14)
- Flow sensor with a casing with at least two casing parts (1, 2), between which a measurement channel is formed, wherein a semiconductor chip (3) with a sensor arrangement is arranged at a wall of the measurement channel between the casing parts, characterized in
that a sealing ring (31) surrounding the measurement channel and the semiconductor chip (3) is arranged between at least two of the casing parts (1, 2), which sealing ring (31) pushes against a counterholder (2, 2b) formed by one of the casing parts, wherein at least one circuit path (9') connected to the semiconductor chip is guided to the outside between the sealing ring (31) and the conterholder (2, 2b), and
that the measurement channel is formed as a notch (5) in a surface (4) of at least one of the casing parts (1, 2), wherein the sealing ring (31) surrounds the notch (5), and that two connecting pipes (6) open into the notch (5), wherein the connecting pipes (6) extend through at least one of the casing parts (1, 2). - Flow sensor according to claim 1, characterized in that the sealing ring (31) acts upon the circuit path (9').
- Flow sensor according to one of the claims 1 or 2, characterized in that the at least one circuit path (9') is arranged on one of the casing parts.
- Flow sensor according to claim 3, characterized by a printed board (2a) which forms one of the casing parts and on which the at least one circuit path (9') is arranged.
- Flow sensor according to claim 4, characterized in that the printed board (2a) is arranged between the sealing ring (31) and the counterholder (2b).
- Flow sensor according to one of the claims 1 or 2, characterized in that the at least one circuit path (9') is arranged on a flexible circuit path foil (9).
- Flow sensor according to claim 1, characterized in that the sealing ring (31) is arranged at said surface (4), and particularly in a cavity (30) of the surface (4).
- Flow sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the measurement channel is formed as a notch (5) in a surface (4) of a first casing part (1), that the semiconductor chip (3) is arranged in a cavity (20) of a second casing part (2) substantially aligned with a wall of the measurement channel, and that the first casing part (1) acts upon the semiconductor chip (4).
- Flow sensor according to claim 8, characterized in that at least one spacer (21) is arranged between the semiconductor chip (3) and a bottom of the cavity (20), wherein the spacer (21) is elastically and/or plastically deformed by a pressing force exerted by the casing parts (1, 2) onto one another.
- Flow sensor according to claim 9, characterized in that the spacer (21) comprises a plurality of protrusions on the bottom of the cavity, preferably tapering in an undeformed state, and particularly that the protrusions are in one piece with the second casing part (2).
- Flow sensor according to one of the claims 8 to 10, characterized in that the cavity (20) has a transversal side (26b) which is parallel to the measurement channel, which opens at each of its ends into a corresponding bulge (28a, 28b), such that the transversal side (26a) forms a straight abutment edge for positioning the semiconductor chip (3) perpendicular to the measurement channel.
- Flow sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the circuit path (9') is sealed with a sealing compound (32) in the area of the sealing ring (31).
- Flow sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the semiconductor chip (3) has a membrane (15) on which the sensor arrangement is arranged, wherein the membrane is in connection with the measurement channel on both sides, such that the pressure difference exerted thereon is substantially zero.
- Flow sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the semiconductor chip (3) is arranged closer to an outlet end (5b) of the measurement channel than to an inlet end (5a) of the measurement channel.
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